Perovskit İnce Film Hazırlama Yöntemleri
Perovskit malzemelerin hazırlanması, yüksek verimli perovskit güneş pilleri elde etmede kritik bir adımdır. Moleküler ölçekte, PbI₂ ve CH₃NH₃I, kendiliğinden birleşerek hızla reaksiyona girerek CH₃NH₃PbI₃ oluşturabilir. Dolayısıyla, ister katı, ister sıvı veya gaz fazında olsun, iki hammaddenin iyice karıştırılması istenen perovskit malzemesini elde edebilir. Ancak, 1 μm'nin altındaki kalınlıktaki ince film güneş pili ışık emici katmanları için, katı faz reaksiyon yöntemleriyle üretilen büyük perovskit kristalleri açıkça uygun değildir.
Güneş hücreleri için perovskit ince filmlerin hazırlanmasında kullanılan en eski yöntemtek adımlı sıvı faz yöntemi, PbI₂ ve CH₃NH₃I'in stokiyometrik oranlarının γ-bütirolakton veya N,N-dimetilformamid (DMF) gibi çözücülerde çözüldüğü bir yöntemdir. Çözeltinin belirli bir miktarı nanogözenekli bir iskele tabakasına damlatılır ve belirli bir hızda spin-kaplama işlemine tabi tutulur. Çözücüyü uzaklaştırmak için ısıtıldıktan sonra, perovskit ile doldurulmuş bir fotoanot elde edilir. Klor katkılı perovskitlerin hazırlanmasında, PbCl₂ ve fazla miktarda CH₃NH₃I öncül olarak kullanılır. Çözücünün uzaklaştırılması ve ısıl işlemden sonra, halometilamin ve kurşun halojenürün stokiyometrik kısmı perovskiti oluştururken, fazla kısım buharlaşır.
Theiki adımlı sıvı faz yöntemiPbI₂ birikimini ve perovskit oluşumunu iki aşamaya ayırır: İlk olarak, belirli bir konsantrasyondaki PbI₂ çözeltisi gözenekli iskele tabakasına spin-coating yöntemiyle kaplanır. PbI₂ kaplı film daha sonra izopropanol içindeki bir metilamonyum iyodür çözeltisine daldırılır ve sarı PbI₂ kademeli olarak koyu kahverengi perovskite dönüştürülür.
H. Snaith ve ark. birbuhar ortak buharlaşma biriktirme yöntemiPerovskit ince filmler hazırlamak için. Bu teknik aynı zamanda yüksek verimli perovskit güneş pillerinin üretilmesini de mümkün kılar, ancak kurşun halojenür ve metilamonyum halojenür için karmaşık eş-buharlaştırma ekipmanı gerektirir. Ayrıca,buhar destekli sıvı faz yöntemleriSon zamanlarda yeni bir teknoloji olarak ortaya çıkmıştır. Bu yaklaşım, bir PbI₂ filminin spin-kaplanmasını ve ardından CH₃NH₃I buharına maruz bırakılmasını içerir ve bu da yavaş perovskit oluşumuna olanak tanır. Eş-buharlaştırma yöntemleriyle karşılaştırıldığında, bu buhar destekli sıvı faz tekniği deneysel ekipman gereksinimlerini azaltır.
Yukarıda belirtilen tüm perovskit ince film hazırlama yöntemleri, aşağıdakileri aşan verimliliklere ulaşabilir:%12Ancak sıvı faz yöntemlerinde kullanılan spin-kaplama prosesinin seri üretime uygun hale getirilmesi zordur.
Teknolojik Bir Makaleye Genişletildi (Yaklaşık 1200 kelime):
Perovskit İnce Film Üretimindeki Gelişmeler: Ölçeklenebilirliğe Yönelik Teknikler ve Zorluklar
giriiş
Perovskit güneş hücreleri (PSC'ler), güç dönüşüm verimliliğinde (PCE) eşi benzeri görülmemiş bir artışa tanık oldu; 2009'da %3,8 olan bu oran, son yıllarda küçük alanlı cihazlarda %26'nın üzerine çıktı. Ancak, bu verimlilikleri geniş alanlı modüllere aktarmak önemli bir zorluk olmaya devam ediyor. Bu zorluğun özü, yüksek kaliteli ve homojen perovskit ince filmlerin hazırlanmasında yatmaktadır. Üretim yöntemi yalnızca optoelektronik özellikleri belirlemekle kalmaz, aynı zamanda perovskit güneş teknolojisinin ölçeklenebilirliğini ve ticari uygulanabilirliğini de etkiler.
1. Temel Üretim Teknikleri
1.1 Tek Adımlı Sıvı Faz Yöntemi
Bu yöntem, stokiyometrik miktarlarda PbI₂ ve CH₃NH₃I'nin DMF veya γ-bütirolakton gibi polar çözücülerde çözülmesini içerir. Çözelti, spin kaplama yoluyla bir substrat üzerine biriktirilir ve termal tavlama, çözücüyü uzaklaştırarak perovskit tabakasını oluşturur. Klor katkılı varyantlar (örneğin, CH₃NH₃PbI₃₋ₓClₓ) için PbCl₂ ve fazla CH₃NH₃I kullanılır. Fazla organik bileşen tavlama sırasında buharlaşır. Basit olmasına rağmen, bu yöntem kristalleşme kinetiğini kontrol etmekte zorlanır ve genellikle daha büyük substratlarda iğne deliği görünümünde ve homojen olmayan filmlere yol açar.
1.2 İki Adımlı Sıvı Faz Yöntemi
Burada, PbI₂ önce alt tabakaya biriktirilir. Daha sonra film, izopropanol içindeki bir CH₃NH₃I çözeltisine daldırılarak PbI₂'nin perovskite dönüştürülmesi sağlanır. Bu ardışık yaklaşım, dönüşüm süreci üzerinde daha iyi kontrol sağlar ve genellikle daha homojen filmler elde edilmesini sağlar. Ancak, eksik dönüşüm ve kalan PbI₂, yük rekombinasyon merkezleri gibi davranarak cihaz performansını sınırlayabilir.
1.3 Buhar Fazı Biriktirme Yöntemleri
Çözüm işlemenin sınırlamalarını aşmak için buhar bazlı teknikler geliştirilmiştir.
Buhar Eş-Buharlaşması:Snaith gibi gruplar tarafından geliştirilen bu yöntem, yüksek vakumlu bir odada PbI₂ ve CH₃NH₃I'nin eş zamanlı termal buharlaşmasını gerektirir. Hassas kompozisyon kontrolüne sahip, yüksek kaliteli, iğne deliği içermeyen filmler üretir, ancak pahalı ekipman ve düşük üretim hacmi gerektirir.
Buhar Destekli Çözelti Prosesi (VASP):Çözeltide işlenmiş bir PbI₂ filminin CH₃NH₃I buharına maruz bırakıldığı hibrit bir yaklaşım. Buhar, katı filme difüze olarak onu perovskite dönüştürür. Bu yöntem, karmaşık vakum sistemlerine olan ihtiyacı azaltır ve genellikle tamamen çözelti tabanlı yöntemlere kıyasla üstün kristallik ve kapsama alanına sahip filmlerle sonuçlanır.
2. Ölçeklenebilirlik Zorluklarının Üstesinden Gelmek
Ticarileştirme açısından laboratuvar ölçeğindeki spin-coating yöntemlerinden endüstriye uyumlu yöntemlere geçiş hayati önem taşıyor.
2.1 Ölçeklenebilir Kaplama Teknikleri
Araştırma şu gibi tekniklere odaklanmıştır:
Bıçak Kaplaması:Bir bıçağın öncü mürekkebi bir alt tabaka üzerine yaydığı menisküs kılavuzlu bir kaplama yöntemidir. Yüksek malzeme kullanımı sunar ve rulodan ruloya (R2R) işlemeyle uyumludur. Başlıca zorluklar arasında, hızlı kuruma işlemi sırasında akışkan dinamiğinin ve kristalleşmenin kontrolü yer alır.
Slot-Die Kaplama:Mürekkebi önceden ölçen ve film kalınlığı ve homojenliği üzerinde hassas kontrol sağlayan bir diğer R2R uyumlu teknik. Kristalleşmeyi yönetmek için genellikle azotla söndürme gibi etkili çözücü giderme stratejileri entegre edilir.
Sprey Kaplama:Geniş ve düzensiz yüzeyler için uygundur, ancak homojen, deliksiz filmler elde etmek hala zordur.
2.2 Kristalizasyon Mühendisliği
Geniş alanlarda yüksek kaliteli filmler elde etmek için kristalleşme sürecini kontrol etmek hayati önem taşır. Stratejiler şunlardır:
Katkı Maddesi Mühendisliği:MACl veya DMSO gibi katkı maddelerinin öncül mürekkebe dahil edilmesi, kristalleşme kinetiğini düzenleyerek daha büyük taneciklere ve daha az kusur yoğunluğuna yol açabilir.
Gazlı Söndürme:Üfleme gazının (örneğin hava, N₂) biriktirme sırasında veya sonrasında kullanılması, çözücünün buharlaşmasını hızlandırır ve hızlı ve düzgün çekirdeklenmeyi destekler.
Vakum Flaş Destekli Yöntemler:Çözelti biriktirme işleminden sonra vakum uygulanması, çözücünün hızla buharlaşmasına ve tavlama sırasında yüksek kaliteli perovskite dönüştürülebilen yoğun ara fazların oluşmasına yol açar.
2.3 Kompozisyon Mühendisliği
Kurşun azaltılmış ve kararlı perovskit bileşimlerinin araştırılması, sürdürülebilirlik ve kararlılık açısından önemlidir. Pb'nin metilamonyum (MA⁺) yerine Sn veya formamidinyum (FA⁺) ile kısmi ikamesi, bant aralığını ayarlayabilir ve termal kararlılığı iyileştirebilir.
3. Endüstriyel Görünüm ve Zorluklar
Bıçak kaplama ve yuva kalıp kaplama gibi teknikler küçük alanlarda %20'nin üzerinde PCE performansı göstermiş olsa da, geniş alanlı modüllerdeki performansları hala geride kalmaktadır. Başlıca zorluklar şunlardır:
Filmin Tekdüzeliği:Metreler arasında kalınlık ve bileşimsel homojenliğin korunması önemsiz değildir. Homojen olmayan durumlar akım kayıplarına ve dolgu faktörlerinin azalmasına neden olur.
Kusur Yönetimi:Ölçeklenebilir birikim genellikle daha fazla kusura yol açar ve ölçeklenebilir pasifleştirme stratejilerinin geliştirilmesini gerektirir.
Verim ve Maliyet:Üretim maliyetlerini düşürmek için işleme hızının film kalitesiyle dengelenmesi kritik öneme sahiptir.
Kararlılık:Geniş alanlı modüller için gerçek dünya koşullarında (ısı, nem, ışık, önyargı) uzun vadeli operasyonel istikrara ulaşmak, yaygın olarak benimsenmenin önündeki en büyük engeldir.
Şirketler ve araştırma enstitüleri, umut verici bir şekilde, geniş alanlı perovskit modül üretimini pilot olarak uyguluyor. Örneğin, R2R teknikleri kullanılarak tamamen basılan mini modüller, yaklaşık 50 cm²'lik aktif alanlarda yaklaşık %11 verimlilik elde etti.
Çözüm
Perovskit ince film üretim süreci, basit spin kaplamadan gelişmiş buhar destekli ve ölçeklenebilir baskı tekniklerine doğru evrilmiştir. Geniş alanlar için ölçeklenebilirlik, kararlılık ve verimlilik artışındaki zorluklar devam etse de, hızlı ilerleme güçlü bir iyimserlik sunmaktadır. Biriktirme teknolojisi, kristalizasyon kontrolü ve malzeme tasarımındaki sürekli yenilikler, perovskit güneş hücrelerinin laboratuvar merakından ticari bir fotovoltaik teknolojiye geçişinin önünü açmaktadır.
